Зарядо-чувствительные усилители сигналов детекторов ионизирующих излучений

• Автор: Дьячков, Игорь Арсеньевич
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 216 с. : ил

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Общая характеристика, требования к параметрам и схемотехника ЗЧУ.

1.1. Общая характеристика и классификация

1.2. Требования к параметрам.

1.3. Функциональные особенности и структурная схема ЗЧУ

1.4. Схемотехника ЗЧУ

1.4.1. Головные каскады

1.4.2. Промежуточные каскады.

1.4.3. Выходные каскады

1.4.4. Внутренние источники опорного напряжения

1.4.5. Схемы обеспечения и стабилизации режимного тока.

1.5. Разновидности схем ЗЧУ.
Выводы.
ГЛАВА 2. Анализ зарядовой чувствительности, частотных и шумовых
характеристик ЗЧУ.
2.1 Зарядовая чувствительность .
2.2.Анализ частотных и временных характеристик зарядовой чувствительности.
2.3. Шумы элементов ЗЧУ и детектора.
2.4. Методика оптимизации шумового заряда ЗЧУ и детектора.
2.5. Расчет и анализ шумового заряда ЗЧУ с ПТ на входе
2.5.1. Расчет шумового заряда ЗЧУ и детектора .
2.5.2. Преобразование эквивалентной шумовой схемы ЗЧУ
совместно с детектором.
2.5.3. Анализ шума компонентов ЗЧУ и детектора
2.5.4. Анализ шумов элементов первого каскада усилителя
и резистора обратной связи.
2.5.5. Анализ шума второго и последующих каскадов ЗЧУ.
2.5.6. Сравнение результатов аналитического и компьютерного
расчета шума ЗЧУ и детектора.
2.6. Расчет и анализ шумового заряда ЗЧУ с БТ на входе
2.6.1. Расчет шумового заряда для полной эквивалентной
шумовой схемы ЗЧУ совместно с детектором.
2.6.2. Преобразование эквивалентной шумовой схемы ЗЧУ
и детектора
2.6.3. Анализ шума компонентов ЗЧУ и детектора.
2.6.4. Расчет и оптимизация шумов элементов первого каскада
и резистора обратной связи.
2.6.5. Анализ шума второго и последующих каскадов ЗЧУ
2.6.6. Сравнение результатов аналитического и компьютерного
расчета шума ЗЧУ и детектора.
2.7. Пути снижения шумового заряда ЗЧУ и детектора при различных
соотношениях параллельных и последовательных шумов
ГЛАВА 3. Обобщенные показатели качества ЗЧУ.
3.1. Назначение обобщенных показателей качества.
3.2. Ресурс стабильности зарядовой чувствительности.
3.3. Ресурс линейности
3.4. Динамический диапазон ЗЧУ
3.5. Ресурс зарядовой чувствительности ЗЧУ
3.6. Оценка быстродействия, скорости обработки сигналов и некоторые другие характеристики ЗЧУ
3.7. Обобщенные критерии качества ЗЧУ
ГЛАВА 4. Проектирование ЗЧУ.
4.1. Постановка задачи проектирования
4.2. Методика оптимального проектирования ЗЧУ
4.3. Начальные этапы проектирования
4.4. Параметрическая оптимизация.
4.4.1. Постановка математической задачи оптимального проектирования.
4.4.2. Методика оптимизации ЗЧУ
4.4.3. Классификация методов оптимального поиска экстремума
4.4.4. Особенности методов оптимального поиска.
4.4.5. Особенности предложенной программы параметрического оптимального поиска и сравнение ее с программой ii
4.5. Особенности технологии изготовления интегральных ЗЧУ
4.5.1. Особенности применения ПТ на основе р перехода
4.5.2. Особенности КМОП технологии.
4.5.3. Особенности применения биполярной технологии
4.5.4. Особенности использования совмещенных технологий
4.5.5. Заказная и полузаказная технологии монолитных
интегральных схем
4.5.6. Гибридная технология
4.5.7. Полевые транзисторные структуры на основе
4.5.8. Особенности технологии изготовления резисторов обратной
4.6. Особенности конструкции и топологии ЗЧУ
4.7. Особенности проектирования принципиальных схем монолитных интегральных микросхем.
4.8. Пример проектирования схемы ЗЧУ
ГЛАВА 5. Практические схемы ЗЧУ.
5.1 Гибридная интегральная микросхема ЗЧУ У И
5.2. Способ улучшения шумового заряда, динамического диапазона
и коэффициента усиления ЗЧУ.
5.3. Интегратьная микросхема ЗЧУ УГ.
5.4. Схема ЗЧУ на базе интегральной микросхемы УД2.
5.5. Структура интегрального ЗЧУ для случая сильных помех и наводок
по цепям питания
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


В приложении 9 представлены параметры известных на сегодняшний день ЗЧУ и рассчитанные для них значения параметров качества. В приложении рассмотрены методы поиска глобального экстремума целевой функции. Глава 1. В экспериментальной ядерной физике наблюдается тенденция к увеличению разрешения электронных тракгов и числа каналов регистрации и измерения энергии ионизирующих частиц. Структурная схема элекгронного. Д. Одними из самых чувствительных типов усилителей для съема сигналов с детекторов в виде заряда являются ЗЧУ. В отличие от основного усилителя и последующей электроники, ЗЧУ работает непосредственно с сигналом малого уровня, приходящего от детектора на фоне помех и шумов, что накладывает жесткие ограничения на уровень собственных шумов усилителя. Сгрукгурная схема ЗЧУ приведена на рис. Сд, а сопротивление Гд 2нервый каскад усиления ЗЧУ 3иослсдующие каскады 4цепь ОС, которая обеспечивает режим работы ЗЧУ на постоянном токе 5цепь ОС по заряду. В результате анализа и работы с различными схемами ЗЧУ предложена их классификация по ряду признаков рис. Она представляет возможные варианты построения усилителя для физических экспериментов. Наименьшей потребляемой мощностью при времени нарастания фронта выходного импульса ориентировочно более 0нс обладают ЗЧУ с КМОП транзистором в головном каскаде ,. Однако им характерна и сравнительно сильная зависимость шумового заряда от емкости детектора по сравнению с ЗЧУ, использующими БТ в нервом каскаде. Наибольшим быстродействием обладают ЗЧУ с БТ в первом каскаде. ЗЧУ на интегральных БиКМОП структурах по совокупности требуемых параметров оказывается хуже, чем ЗЧУ на БТ с применением дискретного ПТ в первом каскаде. Это объясняется тем, что при совместном выполнении биполярных и КМОП структур на одном кристалле, изза технологических ограничений затруднительно получить качественные электрические параметры и тех и других структур одновременно При выполнении ЗЧУ на базе стандартного операционного усилителя с внешним малошумяцим полевым транзистором структура всегда оказывается неоптимальной с точки зрения быстродействия и шума по сравнению со специализированной микросхемой ЗЧУ. Операционный усилитель ОУ имеет некоторый запас устойчивости при введении обратной связи на собственный вход, но при включении перед ОУ внешнего ПТ для компенсации фазового набега приходится существенно сужать рабочую область частот для обеспечения устойчивости ЗЧУ . Рис. Рис. Рис. Классификация ЗЧУ
без применения токовых зеркал в цепи прохождения сигнала. В ОУ всегда используются токовые зеркала, вызывающие дополнительный набег фазы в канале прямой передачи усилителя. Кроме того, если ОУ, построен но архитектуре усилителей с токовой ОС, имеющей устоявшееся название за рубежом , ЗЧУ будет иметь повышенный уровень шумов за счет неоптимального с точки зрения шумов построения входных каскадов, имеющих по сравнению со стандартными ОУ, построенными по архитектуре усилителей с ОС по напряжению архитектура v большее число транзисторов в первом каскаде ,. Различные типы ЗЧУ, как правило, требуют для своей работы отличающиеся друг от друга напряжения питания как самого усилителя, так и детектора, что вызывает ощутимые затруднения при их возможной замене. С точки зрения конструктивных особенностей важным недостатком, который часто препятствует универсальному использованию различных типов ЗЧУ в конкретном применении, является их конструктивная несовместимость. Она проявляется в различных типах разъемов, используемых в различных каналах электроники для физических экспериментов и в несовпадении геометрических размеров, отведенных для размещения усилителя. В связи с тем, что ЗЧУ, как ранее отмечалось, является одним из самых чувствительных и ответственных узлов канала обработки сигналов, поступающих от детекторов, к первым предъявляются жесткие требования по электрическим и массогабаритным параметрам. Современный ЗЧУ должен отвечать техническим требованиям, приведенным ниже. Величину входного заряда, приходящего от детектора на вход ЗЧУ, предложено условно разбить на диапазоны, приведенные в табл. Таблица 1. Низкий 2,. Средний 6. МэВ .